综采工作面综合防尘技术研究

刘鹏

（晋能控股集团 煤炭产业部，山西 太原 030000）

0 引 言

煤尘为煤矿五大自然灾害之一，不但对矿井安全生产和机电设备产生负面影响，同时也对职工的身体健康造成严重威胁。我国目前已经普及综合机械化采煤，综采工作面在不采取任何防尘措施的情况下，回风流中粉尘质量浓度高达3 000 mg/m3[1-2]，严重影响矿井安全生产。目前我国煤矿主要采用的防尘措施包括主动降尘措施和被动降尘措施，其中采用水力除尘是目前最为常用和有效的除尘手段。煤矿采、掘、开作业往往采用湿式作业，并在回风流中设置除尘喷雾，就是为有效降低回风流中的粉尘浓度。但喷雾除尘效果受到水压、喷雾形态、粉尘浓度和颗粒大小等多种因素控制[3-5]，因此，想要提高除尘效果，还需要对其进行技术优化。基于此，本文以同发东周窑煤矿4106 综采工作面为例，对喷雾降尘技术进行优化，形成1 套行之有效的综合防尘技术，取得良好的效果。

1 工作面概况

同发东周窑煤矿采用立井开拓，中央并列式通风，综合机械化采煤工艺，走向长壁回采方法，全部垮落法管理顶板，矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井。目前主采山4 号煤层，山4 号煤层为Ⅱ类易自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。井田内煤层整体为一单斜构造，倾向310°，倾角1°～4°，平均2.5°。山4 号煤层平均厚度为5.66 m，内生裂隙发育。煤层结构复杂，含夹矸1 ～5 层，最大厚度为0.93 m，夹矸岩性多为砂质泥岩、泥岩。顶底板情况见表1。

表1 山4 号煤层顶底板岩石情况Table 1 Mountain 4 coal seam roof and floor rock table

4106 工作面走向长度约1 150 m，倾斜长度220 m，平均埋深约525 m。工作面回采山4 号煤层，平均厚度6.01 m，普遍含夹矸2 层，局部含夹矸4 层，最大夹矸厚度0.73 m。山4 号煤层内生裂隙较发育，且普遍存在夹矸，在正常生产过程中产生的粉尘浓度较高且成分复杂。为对工作面生产过程中产生的粉尘进行有效治理，需采取综合防尘技术。

2 喷雾降尘技术原理分析

2.1 文丘里式喷雾降尘原理

文丘里式喷雾降尘装置，主要包含1 根文丘里管和高压喷头。其运行原理为在文丘里管的孔喉处安装高压喷头，高压喷头由管内向外喷射喷雾，喷雾在管内部分受到管壁的约束，形成柱状喷雾，柱状喷雾称为水雾活塞。水雾活塞能够将管内空气压缩并向外推动，水雾在管外加速扩散，同时可以在管内形成真空，含有粉尘的空气在负压的作用下进入喷管，粉尘与水雾在喷管内反复碰撞并结合，形成高比重的湿润粉尘，喷出管外后会快速沉降。喷出的喷雾在孔口也会形成负压，带动周边携裹粉尘的气流运动，进一步促进水雾和粉尘的有效结合，提高喷雾降尘效果。文丘里式喷雾降尘原理如图1所示。

图1 文丘里式喷雾降尘原理Fig.1 Venturi spray dust principle

2.2 水射流卷吸机理文丘里式喷雾降尘原理

水流在高压气体的作用下喷出后，在速度间断面上失稳，从而形成涡流，在涡流作用的影响下，携裹粉尘的气流会不断被吸入水雾中，水雾自内而外形成混合层，层内作紊流运动，则粉尘与雾滴会发生多次碰撞，实现降尘效果。水射流卷吸机理如图2 所示。

图2 水射流卷吸机理Fig.2 Mechanism of water jet entrainment

在水射流的密度高于空气时，其为非淹没性射流，喷口处动压为：

式中：P 为喷口处动压；V0为喷口速度；ρ0为射流密度。

非淹没性射流各截面动压特征如图3 所示，其分布规律可由下式计算：

图3 射流截面动压分布规律Fig.3 Dynamic pressure distribution of jet cross section

式中：P 为截面任意点动压；Pm为射流轴线上的动压；Y 为任意点至射流轴线径向距离；R 为射流截面半径；K 为相关系数，试验可知K=0.5。

则可计算射流各断面任意点的动压：

2.3 降尘喷雾设计关键

根据以上分析，喷雾降尘中水射流卷吸负压对降尘效率影响显著，特别是针对采煤机而言，混合喷射流能够阻挡和吸收滚筒端面处产生的粉尘，因此为尽量提高除尘效果，应增加喷射端卷吸效果，则可以提高喷雾速度V、雾化率和液气量，提高卷吸效果，最终提高喷雾除尘效率。

3 工作面综合防尘技术方案

根据上述降尘技术原理分析，在4106 回采工作面综采设备及支架设置喷雾降尘系统，并择优安装挡尘帘，以降低生产性粉尘浓度。

（1） 采煤机喷雾。根据4106 回采工作面的生产情况，采煤机的吸尘喷雾装置安装于机体上下端头电箱处和外侧，共有高压喷嘴4 个，喷射角度分别为上23°、上16°、水平、下25°，共用1 个吸尘口，喷雾压力8 MPa，水量消耗约18 L/min，吸风量26.63 m3/min，孔口负压-65 Pa，气液比1.59，采煤机喷雾降尘装置如图4 所示。

图4 采煤机喷雾降尘装置Fig.4 Coal mining machine spray dust device

（2） 支架喷雾。

工作面回采过程中风流主要在工作空间中流动，综采设备作业产生的粉尘和支架移架时产生的粉尘会在溜子道、行人道处混合，形成较高的粉尘浓度，为进一步降低粉尘浓度，对采煤机剩余粉尘和移架粉尘进行有效控制，需要在支架上安装喷雾。支架喷雾主要由水管、吸尘管、喷嘴构成，水流通过高压喷嘴喷射而出，在支架下方产生全断面喷雾，每台支架上均设置3 个直径为2.4 mm 的喷嘴，喷嘴内设计X 形导流芯。除尘装置设计有矩形吸尘口，规格0.1 m×0.1 m，可将携裹粉尘的气体由后部吸入，喷雾压力为4 MPa，吸风量18.8 m3/min，支架喷雾装置如图5 所示。

图5 支架喷雾装置Fig.5 Bracket spray device

（3） 工作面挡风帘。

工作面生产过程中粉尘浓度高、粉尘粒径悬殊、容易产生次生粉尘、影响范围广，在采用采煤机喷雾和支架喷雾后仍然存在较高粉尘，因此，在工作面设置湿式挡风帘。湿式挡风帘上的水受到网状结构的张力可形成水膜，能够有效增加捕尘效率。对4106 工作面各部位粉尘浓度进行测定，根据测定结果在工作面内共设计3 道湿式挡风帘，位置分别为146 架、96 架和56 架处。挡风帘包含水幕、捕尘网及卷帘轴，捕尘网规格8 m×4 m，滤网间距2 mm×2 mm，挡风帘下端距离底板约1 m。挡风帘结构和布置形式如图6 所示。

图6 工作面挡风帘结构与布置形式Fig.6 Structure and layout of wind curtain in working face

4 综合防尘技术应用效果分析

为了对4106 工作面综合除尘技术应用效果进行验证，在采用综合除尘系统前后分别在工作面的7 个重点区域对空气中全尘和呼尘浓度进行监测，监测结果如图7 所示。

由图7 可知，4106 工作面在应用综合风尘装置后，各重点区域的全尘及呼尘浓度均降低至20～50 mg/m3，全尘除尘效率高达92.03%，呼尘除尘效率高达91.12%，除尘效果较好。

图7 综合防尘系统应用前后粉尘浓度变化情况Fig.7 Changes of dust concentration before and after the application of comprehensive dust control system

5 结 语

传统的喷雾降尘系统对粉尘的覆盖和吸收效率较差，为提高除尘效果，根据文丘里式喷雾和水射流卷吸机理对工作面喷雾系统进行优化改造，设置采煤机喷雾+支架喷雾+工作面挡风帘的多点位、多形式综合除尘系统，该系统应用后除尘效果显著，可在类似生产条件工作面进行推广。